JP5400282B2 - パルス増幅器及びこれを用いたパルス光源 - Google Patents

Description

本発明は、パルス増幅器及びこれを用いたパルス光源に関し、通信の分野および、特にピークパワの大きいパルスを必要とする微細加工、テラヘルツ波発生用光源、計測、バイオ応用、多光子顕微鏡などの非通信の分野に用いるのに好適なパルス光源に関する。

このようなパルス光源としては、産業応用には、ファイバ型超短パルス光源が魅力的である。これは、固体レーザに比べて、小型・耐環境性（埃・温度・湿度・振動）・操作性の観点で優れているからである。また、このようなパルス光源に関し、「短パルス化」、「高パルスエネルギー化」の開発が進められている。

パルス光源の「短パルス化」と「高パルスエネルギー化」を進めるにあたって、非線形なチャープを抑圧することが重要である。なぜならば、非線形なチャープはパルスの品質の悪化をもたらすからである。短パルス化もしくは高パルスエネルギー化によりパルスのピークパワが大きくなると、光ファイバ中の非線形現象のひとつである自己位相変調（SPM：self phase modulation）の効果が大きくなる。SPMにより、光強度の時間微分に比例した位相シフトが付加され、一般的には非線形なチャープが付加される。

しかしながら、光強度が放物線の場合はその時間微分が１次の関数であるため、SPMが発生しても、付加されるチャープは線型になる。そのため、「短パルス化」、「高パルスエネルギー化」を進めるには放物線パルスは望ましい波形である。放物線パルスは正常分散利得媒質中を伝搬する際に、パルス波形が相似的（similar）に変化する。このようなパルスはシミラリトンと呼ばれる。

このような放物線パルスを発生させることは一般的には難しく、従来技術として、以下のようなものが知られている。

（１）パルス幅が数百fs(例えば200 fs)の入力パルスを用い、イットリビウム（Yb）添加増幅器（YbDFA：Yb Doped Fiber Amplifier)でシミラリトンパルス（放物線パルス）を発生させる（例えば、非特許文献１参照）。

（２）利得スイッチ光源から出力されるパルス幅が10 psの入力パルスを用い、6 kmのラマン増幅器で放物線パルスを発生させる技術（例えば、非特許文献２参照）。

（３）パルス幅が2.4 psの入力パルスを用い、1.2 kmのエルビウム添加ファイバ(EDF：Erbium Doped Fiber )で放物線パルスを発生させる技術（例えば、非特許文献３参照）。

（４）モード同期レーザで発生した1.4 psの入力パルスを用い、EDFと高非線型ファイバ（HNLF：highly-nonlinear fiber）を使って放物線パルスを発生させる技術（例えば、非特許文献４）。

（５）パルス幅が190 fsの入力パルスを用い、異なる分散特性を持つ6種類のファイバからなるCDPF (comb-like dispersion profiled fiber)を利用して放物線パルスを発生させる技術（例えば、非特許文献５）。

（６）正常分散ファイバだけで放物線パルスを発生させる技術（例えば、非特許文献６）。
M.F. Fermann, CLEO2000, CME2. C. Billet et. al., CLEO-EP2003, CL6-1-FRI. Y. Ozeki et. al., Electron. Lett., vol.40, p.1103 (2004). B. Kibler, Photon. Technol. Lett., vol.18, p.1831 (2006). B. Kibler et. al., Electron. Lett., vol.42, p.965 (2006). C. Finot et. al., OFC2007, OTuJ3. Y. Ozeki el. al., CLEO2004, CTuBB5.

上述した従来技術では、次のような不具合がある。非特許文献１の技術では、種パルス光源が細いパルス幅に限定されたものになり易い。また、増幅媒質の特性が限定されたものになり易い。非特許文献２の技術では、ラマン増幅器は変換効率が悪く、また6 kmという長いラマン増幅器が必要である。6 kmのラマン増幅器は収納が困難で小型化に向かない。非特許文献３の技術では、通常のEDFは数 m〜数10 mであるのに対し、1.2 kmものEDFを利用している。1.2 kmは収納が困難であり、EDF 1.2 kmは非常に高価なので、高コストになる。非特許文献４の技術では、EDFとHNLFを使う構成であり、HNLFを非線型媒質として利用し、正常分散媒質の効果を期待していない。非特許文献５の技術では、6種類のファイバを用意することは高コストになる。

そして、非特許文献６の技術では、放物線パルス発生に最適なパルスエネルギーになるようにＥＤＦＡ（Erbium doped fiber amplifier）で増幅し、正常分散ファイバ中の非線形効果と分散効果で放物線パルスを発生させている。この方式では、伝搬とともに分散によりピークパワがさがるため、広帯域化に向かない。また、放物線パルスを生成する過程で利得の効果を利用しないので、高パルスエネルギー化に向かない。また、EDFAを増幅媒体として利用しているだけで、EDFA中のSPMの利用を示唆していない。

ところで、線型チャープを有するパルスを維持したままパルスを増幅するためには、利得と正常分散とSPMを最適に釣り合わせる必要がある。しかしながら、最適な媒質を用意することは必ずしも容易ではない。

即ち、正常分散EDFAできれいな放物線パルスを発生させるためには、次の入力パルスが最適とされている（上記非特許文献７参照）。

Ｔ₀＝1.64√(β₂/ｇ) Ｅin＝0.38√(β₂ｇ)/γ
ここで、Toは入力パルスの半幅、 Einは入力パルスのパルスエネルギー、β₂は2次分散、γは非線型定数、gは利得係数を表わす。例えば、EDFの利得係数を1.1 dB/m=253 /km、入力パルスの半値全幅を2 ps（半幅1.20 ps）とすると、EDFに必要な分散は136 ps2/km = -106 ps/nm/kmと入手が困難なほど大きな正常分散EDFが必要になる。つまり、約2ピコ秒以上のパルス幅を有する光パルスを正常分散EDFで放物線パルスにすることは、特に困難である。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができ、設計が容易で低コストのパルス増幅器及びそれを用いたパルス光源を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るパルス増幅器は、交互に接続された増幅媒質と正常分散媒質からなる直列接続段を複数備え、それぞれの前記直列接続段からの出力パルスは、その時間波形において、線形チャープを有する時間幅が後段に行くほど広がるとともに、波長スペクトル幅が後段に行くほど広がるように構成されて、入力パルスを、入力パルスよりも広帯域で線形チャープを有する光パルスにして出力することを特徴とする。

この態様によれば、正常分散媒質と増幅媒質を交互に多段接続することで、正常分散媒質の正常分散を変えたり（例えば大きくしたり）、増幅媒質の利得係数を変えたりすることができる。これにより、光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができる。このため、設計が容易で低コストのパルス増幅器を実現できる。また、入力パルスを、線形チャープを有する光パルスにして出力するので、分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記複数の正常分散媒質は、同じ光ファイバであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記増幅媒質が希土類添加光ファイバであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記希土類添加光ファイバの分散が正常分散であることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記正常分散媒質の分散の絶対値が前記増幅媒質の分散の絶対値よりも大きいことを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記増幅媒質と正常分散媒質が偏波保持型であることを特徴とする。

この態様によれば、直線偏光の光パルスを出力するパルス増幅器を実現でき、アプリケーション側から好ましい。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記線型チャープを有する光パルスの時間波形が放物線であることを特徴とする。

この態様によれば、線型チャープを有する光パルスとして、時間波形が放物線である放物線パルスを出力するので、分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明の他の態様に係るパルス増幅器は、前記直列接続段が３段以上であることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の第２の態様に係るパルス光源は、種パルスを出力する種パルス発生器と、交互に接続された増幅媒質と正常分散媒質からなる直列接続段を複数備えたパルス増幅器と、を備え、それぞれの前記直列接続段からの出力パルスは、その時間波形において、線形チャープを有する時間幅が後段に行くほど広がるとともに、波長スペクトル幅が後段に行くほど広がるように構成されて、
前記パルス増幅器が入力パルスを、入力パルスよりも広帯域で線形チャープを有する光パルスにして出力することを特徴とする。

この態様によれば、正常分散媒質と増幅媒質を交互に多段接続することで、正常分散媒質の正常分散を変えたり（例えば大きくしたり）、増幅媒質の利得係数を変えたりすることができる。これにより、光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができる。設計が容易で低コストのパルス光源を実現できる。また、入力パルスを、線形チャープを有する光パルスにして出力するので、分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記複数の正常分散媒質は、同じファイバであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記増幅媒質が希土類添加光ファイバであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記希土類添加光ファイバの分散が正常分散であることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記正常分散媒質の分散の絶対値が前記増幅媒質の分散の絶対値よりも大きいことを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記増幅媒質と正常分散媒質が偏波保持型であることを特徴とする。

この態様によれば、直線偏光の光パルスを発生するパルス光源を実現でき、アプリケーション側から好ましい。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記線型チャープを有する光パルスの時間波形が放物線であることを特徴とする。

この態様によれば、線型チャープを有する光パルスとして、時間波形が放物線である放物線パルスを出力するので、分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記種パルス発生器から出力される種パルスの半値全幅が2 ps以上であることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記種パルス発生器は、種パルスを出力する種パルス光源として、半導体レーザを直接変調する方式のレーザ光源を備えることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記レーザ光源は、半導体レーザを利得スイッチ駆動する利得スイッチ光源であることを特徴とする。

この態様によれば、パルス増幅器は、パルス幅が数ピコ秒の光パルスを線形チャープを有する光パルスにして出力することができる。このため、ピコ秒程度のパルス幅を有するパルスを簡便に発生でき、他の機器との同期が容易で、かつ、繰り返し周波数も容易に変えられる利得スイッチ光源を用いたパルス光源を実現できる。これにより、低コストで、応用範囲の広いパルス光源を実現できる。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記パルス増幅器から出力される光パルスを更に分散補償する分散補償器を備えることを特徴とする。

この態様によれば、パルス増幅器が入力パルスを、線形チャープを有する光パルスにして出力するので、分散補償器での分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記分散補償器が異常分散ファイバであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記分散補償器が回折格子対から構成されることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るパルス光源は、前記直列接続段が３段以上であることを特徴とする 。

本発明によれば、光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができ、設計が容易で低コストのパルス増幅器及びそれを用いたパルス光源を実現できる。また、入力パルスを、線形チャープを有する光パルスにして出力するので、分散補償により波形の綺麗な広帯域の短パルスが得られる。

本発明を具体化したパルス光源の各実施態様を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るパルス光源の概略構成を、パルス光源各部でのパルスのスペクトル及び時間波形と共に示している。

パルス光源は、図１に示すように、種パルスとしての入力パルス１０を出力する種パルス発生器１と、パルス増幅器２と、パルス増幅器２から出力される光パルスを分散補償する分散補償器３と、を備えている。

種パルス発生器１は、入力パルス１０を出力する種パルス光源として、例えば半導体レーザを直接変調する方式のレーザ光源（図示省略）を備えている。このレーザ光源は、例えば、約2ピコ秒(ps)以上のパルス幅を有する光パルス１０を発生することができる利得スイッチ光源である。ここで、種パルス発生器１として、モード同期レーザなどを用いてもよい。なお、ここに言う「パルス幅」は、種パルス発生器１から出力される種パルスとしての入力パルス１０の半値全幅を指す。

パルス増幅器２は、交互に多段接続された正常分散媒質４及び増幅媒質５を備え、入力パルス１０を、線形チャープを有する光パルスにして出力する。正常分散媒質４は、本実施形態では一例として、分散補償ファイバ(DCF)である。また、増幅媒質５は、正常分散を有する希土類添加光ファイバであり、本実施形態では一例として、希土類添加光ファイバの一種であるエルビウム添加ファイバ(EDF：Erbium Doped Fiber )が用いられている。このEDF５の分散は正常分散である。また、DCF(正常分散媒質)4の分散（正常分散）の絶対値がEDF(増幅媒質)5の分散（正常分散）の絶対値よりも大きい。ここで、図１のパルス増幅器２では、正常分散媒質４と増幅媒質５の順になっているが、その順は逆でもよい。また、最後は増幅媒質５でも正常分散媒質４でもよい。

なお、本明細書中では、多段接続されるDCF４とEDF５の「個数」と「段数」とを区別して用いる。つまり、「個数」は、交互に接続されるDCF４とEDF５の数（総数）を意味し、「段数」は、一つのDCF４と一つのEDF５を１ペア（その順序は問わない。）とするペアの数を意味する。従って、例えば、多段接続されるDCF４とEDF５の「段数」が「２」の場合、DCF４が２個でEDF５が２個になり、全体の「個数」は４個となる。なお、パルス増幅器２において、DCF４とEDF５の多段接続には、交互に接続されたEDF５（増幅媒質）とDCF４（正常分散媒質）の「個数」が少なくとも３以上含まれる。

パルス増幅器２は、EDF5に２つの励起光源６，７から励起光を入射させる構成（双方向励起）になっている。図１において、符号「８」、「９」はアイソレータであり、符号「１１」、「１２」は入力パルス１０と励起光源６．７からの励起光とを合波するWDMカプラである。

このパルス増幅器２では、複数の段数のDCF４とEDF5が、DCF４から始まり、EDF5で終わるように、交互に配置されている。また、このパルス増幅器２では、複数の段数のDCF４とEDF5全てが、一つの筐体内に配置されている。
分散補償器３は、本実施形態では一例として異常分散ファイバである。

なお、図１において、符号１０ａ〜１０ｅはパルス光源各部ａ〜ｅでの光パルスのスペクトルをそれぞれ示すグラフである。グラフ１０ａは入力パルス１０のスペクトルを、グラフ１０ｅはパルス増幅器２から出力される光パルスのスペクトルを、グラフ１０ｆは分散補償器３による分散補償後の光パルス（出力パルス）のスペクトルをそれぞれ示す。各グラフ１０ａ〜１０ｆの横軸は周波数を示し、その縦軸は光強度を示す。

また、符号２０ａ〜２０ｅはパルス光源各部ａ〜ｅでの光パルスの時間波形をそれぞれ示すグラフである。グラフ２０ａは入力パルス１０の時間波形を、グラフ２０ｅはパルス増幅器２から出力される光パルスの時間波形を、グラフ２０ｆは分散補償器３による分散補償後の光パルスの時間波形をそれぞれ示す。各グラフ２ａ〜２０ｆの横軸は時間であり、その縦軸は光強度である。

パルス光源のパルス増幅器２は、DCF４とEDF５を交互に多段接続することで、入力パルス１０を、線型チャープを有する綺麗なパルスのままで増幅する、つまり、線型チャープを維持したままパルスを出力するように構成されている。種パルス発生器１から出力される入力パルス１０は、パルス増幅器２内のDCF４,EDF５を順次伝搬する間に、グラフ１０ｂ〜１０ｄで示すように徐々にスペクトルが広がっていく。そして、グラフ２０ｂ〜２０ｄで示すように徐々に放物線に近づいていき、線型チャープを有するグラフ２０ｅで示すような放物線パルスになってパルス増幅器２から出力される。また、パルス増幅器２から出力されるパルスは、広帯域の光パルス（グラフ１０ｅ参照）になっている。

パルス増幅器２から出力されるパルスが線型チャープを有する放物線パルス（グラフ２０ｅ参照）になることで、分散補償器３の分散補償によりグラフ２０ｆで示す短パルスが得られる。この短パルスは、グラフ１０ｆで示すようにペデスタルの少ない、波形の綺麗な広帯域の光パルスである。

図１のパルス光源は、直線偏波出力が望ましい。ただし、直線偏波出力に限定するものではない。偏波保持DCF4とEDF5はそれぞれ、偏波保持型ファイバで構成されている。また、種パルス発生器１および分散補償器３も偏波が保持される構成となっている。なお、偏波非保持DCF4と偏波非保持EDF5に、Faraday rotator mirrorを用いた偏波保持化技術を適用してもよい。

なお、各段（各ペア）においてEDF長（EDF5の長さ）とDCF長（DCF４の長さ）は一定である必要はない。各段（各ペア）において、EDF長とDCF長は一定であっても良いし、異なっていてもよい。例えば、各段毎にEDF長とDCF長を次第に変化させるようにしても良い。

グラフ２０ａで示すようなパルス形状がガウシアンの入力パルス１０からグラフ２０ｅで示すような放物線パルスを作るには、利得と、SPMと、正常分散と、の３つの要素を最適化する必要がある。

SPMによる周波数シフトは時間波形の変曲点で極大値と極小値をとる。そこに、正常分散が相互作用すると、周波数シフトの極大値や極小値に近い成分ほど時間波形の外側に追いやられる。つまり、時間波形の変曲点は徐々に外側に追いやられる。そして、時間波形に変曲点がない放物線に近づく。ただし、正常分散の効果によってパルスの時間波形は広がり、ピークパワが小さくなる。そのため、伝搬と伴にSPMの効果が小さくなる。そこで、利得でピークパワを上げることにより、SPMと正常分散の効果を維持することができる。

放物線パルスの作成と相似的な伝搬のためには、SPMと正常分散と利得の効果を最適に釣り合わせる必要がある。SPMの効果が大きい場合は、非線形なチャープが付加されやすくなる。正常分散の効果が大きい場合には、スペクトル帯域は広がりにくくなる。また、時間波形は放物線に近づきにくくなる。利得が小さい場合は、伝搬とともにSPMの効果が小さくなり、利得が大きい場合には、SPMの効果が大きくなってしまう。

正常分散ＥＤＦＡによりある種パルスを放物線パルスにするのに最適なSPM、正常分散、利得の関係が経験値的にどの位かということは論文（例えば、上記非特許文献７）に発表されている。その論分に従って半値全幅がピコ秒程度の入力パルスに最適なファイバパラメータを計算したところ、正常分散は、現実的に入手困難なほど大きな絶対値の正常分散ＥＤＦが必要になる。このため、放物線パルスを作るのは困難であった。

これに対して、本実施形態では、正常分散媒質であるDCF4と増幅媒質であるEDF5を交互に多段接続することで、次のことが可能になる。

・ 増幅媒質であるEDF5のSPM（光ファイバの非線型効果）と利得によってパルスのスペクトルを広げる。

・ 正常分散媒質であるDCF4の大きな正常分散で放物線を作成するのに不足している正常分散を補う。また、正常分散媒質中であるDCF4中のSPMによって、スペクトルをより広げることができる。

・ 正常分散で波形を広げると、ピークパワが小さくなる。そうすると、SPMが起きにくくなる。これを補うためにも、DCF4と交互に配置されるEDF5で利得を与えることで、SPMを効果的に発生させることができる。

このように、本実施形態によれば、正常分散媒質であるDCF4と増幅媒質であるEDF5を交互に多段接続することで、正常分散とSPMの制御を容易にすることができる。また、EDF単体では難しかった正常分散の効果を、多段接続にすることで実現することができる。これにより、ある種パルスを放物線パルスにするのに適した媒質、即ち、光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができる。

・ 光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができるので、線型チャープを有する放物線パルスを出力可能なパルス増幅器及びそれを用いたパルス光源を実現することができる。

・ 光パルスの線型チャープを維持しながら増幅及び広帯域化をするのに適した媒質を容易に得ることができるので、設計が容易で低コストのパルス増幅器及びそれを用いたパルス光源を実現することができる。

・ パルス増幅器２をDCF4とEDF5を交互に多段接続した構成にしたので、正常分散とSPMが主に効く場所と、利得とSPMが主に効く場所とを分けることができ、パルス増幅器及びそれを用いたパルス光源の設計が容易になる。

・ パルス増幅器２は、入力パルス１０を、線型チャープを有する綺麗なパルスのままで増幅する、つまり、線型チャープを維持したままパルスを出力するので、分散補償器３の分散補償によりグラフ２０ｆで示す短パルスが得られる。この短パルスは、グラフ１０ｆで示すようにペデスタルの少ない、波形の綺麗な広帯域の光パルスとなる。

・ 種パルス発生器１には、入力パルス１０を出力する種パルス光源として、利得スイッチ光源を用いている。利得スイッチ光源は、ピコ秒程度のパルス幅を有するパルスを簡便に発生することができ、また、他の機器との同期が容易であり、繰り返し周波数も容易に変えることができるという優れた点を持つ。しかしながら、パルス幅が数ピコ秒であることから、一般的なEDFAで線型チャープを有するパルス増幅を実現することは容易ではなかった。本実施形態によれば、パルス増幅器２は、パルス幅が数ピコ秒の光パルスを、線形チャープを有する光パルスにして出力することができるので、ピコ秒程度のパルス幅を有するパルスを簡便に発生でき、他の機器との同期が容易で、かつ、繰り返し周波数も容易に変えられる利得スイッチ光源を用いたパルス光源を実現できる。これにより、低コストで、応用範囲の広いパルス光源を実現できる。

・ 種パルス発生器１から出力される入力パルス１０は、パルス増幅器２内のDCF4,EDF5を順次伝搬する間に、グラフ２０ｂ〜２０ｄで示すように徐々に放物線に近づいていくので、入力パルス１０を、線型チャープを有するグラフ２０ｅで示すような放物線パルスにしてパルス増幅器２から出力することができる。

・ DCF4とEDF5はそれぞれ、偏波保持型ファイバで構成されている。また、パルス光源の各構成要素間を接続する光ファイバも、偏波保持型ファイバで構成されている。この構成により、直線偏光の光パルスを発生するパルス光源を実現することができ、アプリケーション側から好ましい。もう一つは、直線偏光の種パルス（入力パルス１０）をパルス増幅器２に入力した方が、このパルス増幅器２での非線形効果（SPM）が起き易くなり、好ましい。

・ 上記非特許文献６の従来技術では、ガウシアン波形の入力パルスを正常分散ファイバ（DCF）だけで放物線パルスにする。これに対して、本実施形態では、ガウシアン波形の入力パルスがパルス増幅器２内の交互に配置されたDCF4,EDF5を順次伝搬する間に、その入力パルスを徐々に放物線パルスにしていく。これにより、線型チャープを有する放物線パルスを出力可能なパルス増幅器及びそれを用いたパルス光源の設計の自由度が増し、その設計が容易になる。

・ 上記非特許文献６の従来技術では、正常分散ファイバだけでシミラリトンパルスを発生させるので、分散によりパルスの時間波形が広がり、伝搬とともにパルスのピークパワが下がる。このため、SPMという非線型効果が起きにくく、広帯域化に向かない。これに対して、本実施形態では、正常分散でパルスの時間波形が広がり、SPMという非線型効果が起きにくくなるのを補うために、DCF4と交互に配置されるEDF5で利得を与えることで、放物線パルスの形状を保ったまま、光ファイバ（DCF4とEDF5）のSPMによってスペクトルを広げながらパルスを伝搬させることができる。

（実施例１）
次に、上記第１実施形態で説明したパルス光源において、以下の条件（シミュレーション条件１）をシミュレーション上で入力した実施例１を、図２乃至図４に基づいて説明する。

<シミュレーション条件１>
・ 入力パルス（入力パルス１０）
・ パルス形状 ：ガウシアン
・ パルス幅 ：5.1 ps
・ ピークパワ ：0.8 W
・ パルスエネルギー ：4.3 pJ
・ EDF５
・ 利得 ：1.1 dB/m
・ 分散 ：-4.9 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：7.5 /W/km
・ DCF４
・ 利得 ：-0.5 dB/km
・ 分散 ：-125 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：5.3 /W/km
・ DCF + EDF
・ 段数 ：5段
・ EDF長 ：5 m
・ DCF長 ：パラメータ（EDF長のx倍）

この実施例１では、第１実施形態で説明したパルス光源のパルス増幅器２において、図２に示すように多段接続されるDCF４とEDF５の「段数」を５段に固定して、DCF長（DCF４の長さ）をパラメータ（EDF長のｘ倍）として、ｘの値を変化させている。図３及び図４にシミュレーション結果（シミュレーション結果１）を示す。図３（Ａ）には、入力パルスの時間波形１０とチャープ３０を、図３（Ｂ）〜（Ｉ）には、ｘの値を０〜８に変化させたときの、出力パルスの時間波形とチャープをそれぞれ示している。また、図４（Ａ）には入力パルスのスペクトルを、図４（Ｂ）〜（Ｉ）には、ｘの値を０〜８に変化させたときの、出力パルスのスペクトルをそれぞれ示している。

図３（Ａ）〜（Ｉ）及び図４（Ａ）〜（Ｉ）から次のシミュレーション結果が分かる。

・ DCF４とEDF５の多段接続にすることにより、線型チャープを有する放物線パルスになる。但し、x=0、つまり、DCFを利用しない場合では、チャープは非線型チャープである。

・ 分散効果を大きくする（ｘを大きくする）と、波形は放物線に、チャープは線型に近づく。

・ 分散効果を大きくし過ぎる（ｘを大きくし過ぎる）と、ピークパワが小さくなるため、非線形位相シフトが小さくなり、スペクトルの帯域が広がりにくくなる。
（実施例２）
次に、上記第１実施形態で説明したパルス光源において、以下の条件（シミュレーション条件２）をシミュレーション上で入力した実施例２を、図５及び図６に基づいて説明する。

<シミュレーション条件２>
・ 入力パルス（入力パルス１０）
・ パルス形状 ：ガウシアン
・ パルス幅 ：5.1 ps
・ ピークパワ ：0.8 W
・ パルスエネルギー ：4.3 pJ
・ EDF５
・ 利得 ：1.1 dB/m
・ 分散 ：-4.9 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：7.5 /W/km
・ DCF４
・ 利得 ：-0.5 dB/km
・ 分散 ：-125 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：5.3 /W/km
・ DCF + EDF
・ 段数 ：パラメータ
・ EDF長 ：25/段数 m
・ DCF長 ：100/段数 m（EDF長の4倍）

この実施例２では、第１実施形態で説明したパルス光源のパルス増幅器２において、図２に示すように多段接続されるDCF４とEDF５について、DCF長とEDF長の比を固定し（DCF長をEDF長の４倍に固定し）、DCF４とEDF５の「段数」をパラメータとして、段数の値を変化させている。図５及び図６にシミュレーション結果（シミュレーション結果２）を示す。図５（Ａ）には、入力パルス１０の時間波形とチャープ３０を、図５（Ｂ）〜（Ｇ）には、「段数」の値を変化させたときの、出力パルスの時間波形とチャープをそれぞれ示している。図５（Ｂ）〜（Ｇ）の破線は放物線によるフィッティングを示す。

また、図６（Ａ）には、入力パルス１０のスペクトルを、図６（Ｂ）〜（Ｇ）には、「段数」の値を変化させたときの、出力パルスのスペクトルをそれぞれ示している。

図５（Ａ）〜（Ｇ）及び図６（Ａ）〜（Ｇ）から次のシミュレーション結果が分かる。

・ DCF４とEDF５の多段接続にすることにより、線型チャープを有する放物線パルスになる。

・ 「段数」を３段以上にすると、放物線に近づく。つまり、「段数」を３段以上にすると、きれいな放物線になる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るパルス光源を図７乃至図１３に基づいて説明する。図７は第２実施形態に係るパルス光源の概略構成を示している。このパルス光源は、発明者が実際に実験に用いたパルス光源の概略構成（実験の構成）を示している。

図７に示すパルス光源では、DCF4の融着ロスにより、励起光源６からの励起光パワーが小さくなるのを避けるために、１番目のDCF4をパルス増幅器２の筐体の外に配置してある。この構成により、励起光源６からの励起光がDCF４とEDF5の融着点を介さずに1つめのEDF5に入力されるので、励起光のパワーを高くすることができる。分散補償器は回折格子対から構成されるものを利用した。その他の構成は、図１に示す第１実施形態に係るパルス光源と同様である。

図７に示すパルス光源を用いて、以下の条件で実験を行った。なお、このパルス光源では、DCF長を25mとし、EDF長を8mとしている。

・ 種パルス発生器１
・ 利得スイッチ光源をEDFA（図示省略）で増幅し、BPF（図示省略）でASEを抑制した構成
・ 10 MHz繰り返し
・ 17 pJパルスエネルギー
・ 5.7 psパルス幅
・ DCF４
・ 利得 ：-0.5 dB/km
・ 分散 ：-125 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：5.3 /W/km
・ EDF５
・ 利得 ：1.1 dB/m
・ 分散 ：-4.9 ps/nm/km
・ 非線形定数 ：7.5 /W/km

図７に示すパルス光源を用いて行ったところ、種パルス発生器からのパルスエネルギーは17 pJ (平均パワー：-7.64 dBm)、パルス増幅器からの出力パルスのパルスエネルギーは2.2 nJ（平均パワー：13.40 dBm）、分散補償器からの出力のパルスエネルギーは1.5 nJ（平均パワ：15.34 mW）であった。

図７に示すパルス光源を用いて行った実験結果を図８及び図９に示し、その実験とシミュレーションの比較を図１０及び図１１に示している。図８（Ａ）は種パルス発生器から出力される入力パルス１０のスペクトル、図８（Ｂ）は１番目のDCF4を伝搬した後の光パルスのスペクトル、図８（Ｃ）はパルス増幅器２から出力される光パルスのスペクトルをそれぞれ示す。また、図９（Ａ）は種パルス発生器から出力される入力パルス１０の自己相関波形を示す。ガウシアン波形の自己相関波形でフィッティングしたところ、半値全幅は5.7 psであった。図９（Ｂ）はパルス増幅器２から出力される光パルスの自己相関波形を、図９（Ｃ）は分散補償器３による分散補償後の光パルスの自己相関波形をそれぞれ示す。

図８（Ａ）〜（Ｃ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）から次の実験結果が得られた。

・ パルス増幅器２から出力される光パルスのスペクトルが広げられており、広帯域の光パルスがパルス増幅器２から出力された。

・ 分散補償器３による分散補償により、5.7 psパルス幅の入力パルス１０が圧縮されて、2.0 psパルス幅の光パルスが発生した。

図７に示すパルス光源における入力パルス（種パルス発生器1の出力である種パルス）、分散補償器３前（分散補償前）の光パルス（パルス増幅器２の出力パルス）、分散補償器３後（分散補償後）の光パルスのシミュレーション結果を図１２と図１３に示す。図１２（Ａ）〜（Ｃ）はシミュレーションによって得られたスペクトル結果である。図１３（Ａ）〜（Ｃ）には、シミュレーションによって得られた時間波形を実線で、チャープを破線で示している。また、分散補償前の時間波形を放物線でプロットしたものを黒丸の点で示す。分散補償前の時間波形が放物線によく一致していることが分かる。また、チャープが線型であることが分かる。

図１０は、パルス増幅器２から出力される光パルスのスペクトルについて、図７に示すパルス光源を用いて行った実験で得られた結果とシミュレーション結果を示したグラフである。図１１（Ａ），(Ｂ)は、分散補償器３による分散補償前と分散補償後の光パルスの自己相関波形について、その実験で得られた結果とシミュレーション結果をそれぞれ示したグラフである。図１０及び図１１において、曲線（イ）はシミュレーション結果、曲線（ロ）は実験結果をそれぞれ示している。

図１０で示すスペクトルと図１１で示す自己相関波形のいずれも、実験結果とシミュレーション結果が良く一致していることが分かる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。

・ 上記第１及び第２実施形態において、パルス増幅器２は、前方に配置した一つの励起光源６からEDF5に励起光を入射させる構成（前方励起）或いは後方に配置した一つの励起光源７からEDF5に励起光を入射させる構成（後方励起）でもよい。

・ 励起光が必要なのは増幅媒質（EDF）5であるので、増幅媒質に励起光が入射する構成であれば、励起光が正常分散媒質（DCF）4を介して或いは直接増幅媒質に入射する構成のいずれでも良い。

・ 励起光を入力させる位置は、多段接続された正常分散媒質（DCF4）と増幅媒質（EDF5）の途中でもよい。

・ 上記第１及び第２実施形態において、増幅媒質5として、EDFに代えて、Tm添加フッ化物光ファイバ（TDF），イットリビウム（Yb）添加光ファイバ（YbDF）等の希土類添加光ファイバの中から最適なものを用いるのがよい。

・ 上記第１及び第２実施形態では、DCF4とEDF5をDCF4+EDF5の順に交互に多段接続しているが、DCF4とEDF5をEDF5+DCF4の順に交互に多段接続してもよい。

・ 上記第１及び第２実施形態において、交互に多段接続された正常分散媒質（DCF4）と増幅媒質（EDF5）の最後は、正常分散媒質でも、増幅媒質でもよい。

・ 増幅媒質が最後になる構成の場合、正常分散媒質が最後になる構成と比べて、分散補償器３での分散補償量が少なくてすむ。一方、正常分散媒質が最後になる構成の場合には、より放物線に近いパルスになって出力されるので、より綺麗な放物線パルスになり易い。

・ 上記第１実施形態のパルス増幅器２では、複数ペアのDCF４とEDF5全てが一つの筐体内に配置されているが、複数ペアのDCF４とEDF5を複数のグループに分けて、各グループを別の筐体内に配置する構成にしてもよい。

・ 上記第１及び第２実施形態において、分散補償器３を異常分散光ファイバで構成してもよい。また、プリズムなどを用いた分散補償器を用いてもよい。

・ 上記第１及び第２実施形態において、DCF4とEDF5をそれぞれ偏波保持型ファイバで構成し、パルス光源の各構成要素間を接続する光ファイバも偏波保持型ファイバで構成する代わりにFaraday Rotator Mirror（FRM）を用いた構成にしてもよい。このFRMは、Faraday RotatorとMirrorからなり、折り返された光は９０度偏波面を回転される。

このFRMを用いたパルス光源は、種パルス発生器１から出力される直線偏光の入力パルスが入射するPBS（偏光ビームスプリッタ）を備え、PBSで分離される２つの光路の一方から入力パルスが入射される。そして、偏波合波されるポートから、交互に多段接続された非偏波保持型ファイバであるDCF４と非偏波保持型ファイバであるEDF5を介してFRMが配置される。そして、PBSで分離される他方の光路からFRMで折り返された光が出力される。

このような構成を有するFRMを用いたパルス光源では、非偏波保持型ファイバであるDCF４、EDF5を伝搬する間に偏波状態がランダムに変化するが、その入力パルスはFRMで９０度偏波面を回転させて折り返えされ、同じ光路を伝搬する。このため、往路でDCF４、EDF5を伝搬する間に受けた偏波変動が、復路でDCF４、EDF5を伝搬する間に受ける偏波変動でキャンセルされ、ＰＢＳで反射されて直線偏光で分散補償器３に入力され、分散補償器３から分散補償された直線偏光の光パルスが出力される。

この構成により、直線偏光の光パルスを発生するパルス光源を実現することができ、アプリケーション側から好ましい。また、FRMを用いたパルス光源では、DCF４、EDF5及びFRM間を接続する光ファイバに、偏波保持型ファイバを用いる必要がない。

第１実施形態に係るパルス光源の概略構成をパルス光源各部でのパルスのスペクトル及び時間波形と共に示す模式図。 実施例１のパルス増幅器部分の構成を示す概略構成図。 （Ａ）〜（Ｉ）はDCF長をパラメータ（EDF長のｘ倍）としてｘの値を変化させたときの、入力パルスと出力パルスの時間波形とチャープをそれぞれ示すグラフ。 （Ａ）〜（Ｉ）は、ｘの値を変化させたときの、入力パルスと出力パルスのスペクトルをそれぞれ示すグラフ。 （Ａ）〜（Ｇ）は、「段数」の値を変化させたときの、入力パルスと出力パルスの時間波形とチャープをそれぞれ示すグラフ。 （Ａ）〜（Ｇ）は、「段数」の値を変化させたときの、入力パルスと出力パルスのスペクトルをそれぞれ示グラフ。 第２実施形態に係るパルス光源の構成を示す概略構成図。 （Ａ）は種パルス発生器から出力される入力パルスのスペクトル、（Ｂ）は１番目のDCF伝搬後の光パルスのスペクトル、（Ｃ）はパルス増幅器から出力される光パルスのスペクトルをそれぞれ示すグラフ。 （Ａ）は種パルス発生器から出力される入力パルスの自己相関波形、（Ｂ）はパルス増幅器から出力される光パルスの自己相関波形、（Ｃ）は分散補償器による分散補償後の光パルスの自己相関波形をそれぞれ示すグラフ。 パルス増幅器から出力される光パルスのスペクトルについての実験結果とシミュレーション結果を示したグラフ。 （Ａ），(Ｂ)は、分散補償器による分散補償前と分散補償後の光パルスの自己相関波形について、その実験で得られた結果とシミュレーション結果をそれぞれ示したグラフ。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態に係るパルス光源の構成において、シミュレーションによって得られたスペクトルのグラフ。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態に係るパルス光源の構成において、シミュレーションによって得られた時間波形のグラフ。

符号の説明

１・・・種パルス発生器
２・・・パルス増幅器
３・・・分散補償器
４・・・正常分散媒質（DCF）
５・・・増幅媒質（EDF）
６・・・前方励起用励起光源
７・・・後方励起用励起光源
８・・・ＥＤＦＡ前方励起用複合モジュール中のアイソレータ
９・・・ＥＤＦＡ後方励起用複合モジュール中のアイソレータ
１０・・・入力パルス
１１・・・ＥＤＦＡ前方励起用複合モジュール中のＷＤＭフィルタ
１２・・・ＥＤＦＡ後方励起用複合モジュール中のＷＤＭフィルタ
３０・・・チャープ

Claims (22)

1. 交互に接続された増幅媒質と正常分散媒質からなる直列接続段を複数備え、
   それぞれの前記直列接続段からの出力パルスは、その時間波形において、線形チャープを有する時間幅が後段に行くほど広がるとともに、波長スペクトル幅が後段に行くほど広がるように構成されて、
   入力パルスを、入力パルスよりも広帯域で線形チャープを有する光パルスにして出力することを特徴とするパルス増幅器。
2. 前記複数の正常分散媒質は、同じ光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のパルス増幅器。
3. 前記増幅媒質が希土類添加光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス増幅器。
4. 前記希土類添加光ファイバの分散が正常分散であることを特徴とする請求項３に記載のパルス増幅器。
5. 前記正常分散媒質の分散の絶対値が前記増幅媒質の分散の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のパルス増幅器。
6. 前記増幅媒質と正常分散媒質が偏波保持型であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のパルス増幅器。
7. 前記線型チャープを有する光パルスの時間波形が放物線であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のパルス増幅器。
8. 前記直列接続段が３段以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載のパルス増幅器。
9. 種パルスを出力する種パルス発生器と、交互に接続された増幅媒質と正常分散媒質からなる直列接続段を複数備えたパルス増幅器と、を備え、
   それぞれの前記直列接続段からの出力パルスは、その時間波形において、線形チャープを有する時間幅が後段に行くほど広がるとともに、波長スペクトル幅が後段に行くほど広がるように構成されて、
   前記パルス増幅器が入力パルスを、入力パルスよりも広帯域で線形チャープを有する光パルスにして出力することを特徴とするパルス光源。
10. 前記複数の正常分散媒質は、同じファイバであることを特徴とする請求項９に記載のパルス光源。
11. 前記増幅媒質が希土類添加光ファイバであることを特徴とする請求項９乃至１０のいずれか一つに記載のパルス光源。
12. 前記希土類添加光ファイバの分散が正常分散であることを特徴とする請求項１１に記載のパルス光源。
13. 前記正常分散媒質の分散の絶対値が前記増幅媒質の分散の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一つに記載のパルス光源。
14. 前記増幅媒質と正常分散媒質が偏波保持型であることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか一つに記載のパルス光源。
15. 前記線型チャープを有する光パルスの時間波形が放物線であることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか一つに記載のパルス光源。
16. 前記種パルス発生器から出力される種パルスの半値全幅が２ｐｓ以上であることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか一つに記載のパルス光源。
17. 前記種パルス発生器は、種パルスを出力する種パルス光源として、半導体レーザを直接変調する方式のレーザ光源を備えることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか一つに記載のパルス光源。
18. 前記レーザ光源は、半導体レーザを利得スイッチ駆動する利得スイッチ光源であることを特徴とする請求項１７に記載のパルス光源。
19. 前記パルス増幅器から出力される光パルスを更に分散補償する分散補償器を備えることを特徴とする請求項９乃至１８のいずれか一つに記載のパルス光源。
20. 前記分散補償器が異常分散ファイバであることを特徴とする請求項１９に記載のパルス光源。
21. 前記分散補償器が回折格子対から構成されることを特徴とする請求項１９に記載のパルス光源。
22. 前記直列接続段が３段以上であることを特徴とする請求項９乃至２１のいずれか一つに記載のパルス光源。

Images